新型太陽能汽車的探索與思考

陳 屹 孫錫紅

（上海理工大學 中國 上海 200093）

節能減耗、提高效率、使用清潔能源一直是汽車行業的創新方向，但由于配套技術的限制，使得這個方向始終發展緩慢。太陽能汽車由于太陽能電池的效率不足，受環境天氣影響巨大，和續航能力，爬坡能力的限制，使其成為少數掌握此類技術的大專院校或汽車公司的實驗品。本文從以下幾方面，探討新型民用太陽能汽車的發展與未來。

1 當前太陽能汽車發展的瓶頸

太陽能汽車的發展主要受制于其動力來源和動力輸出，即太陽能的收集和轉換效率，及電動汽車的能量儲備和續航能力。

1.1 太陽能電池的轉換效率低

太陽能電池的發電原理是利用光伏技術，即愛因斯坦所提出的光電效應為主要理論依據，當太陽光照射在當這些射線照射在不同導體或半導體上，光子于導體或半導體中的自由電子作用產生電流。射線的波長越短，頻率越高，所具有的能量就越高，例如紫外線所具有的能量要遠遠高于紅外線。但是并非所有波長的射線的能量都能轉化為電能，值得注意的是光電效應于射線的強度大小無關，只有頻率達到或超越可產生光電效應的數值時，電流才能產生。絕大部分的導體，半導體只能對頻率超過黃光的射線產生光電效應。眾所皆知，太陽光以橙黃色為主，因而太陽能電池的發電效率并不高。

1.2 太陽能電池轉換效率的計算

圖1 某太陽能車車速與功率比較

現階段普遍的太陽能電池的轉換效率約在17%-20%的區間。比如，覆蓋車身的太陽能電池板的面積約為2.5m2，其峰值功率（STC情況下測試的功率，也就是在：溫度 25°，輻照度 1000W/m2,光譜AM1.5時。）

如進行簡單計算，可以得到：

其中：EI為本征費米能級[1]；

A為太陽能電池板的面積；

即在日照良好的情況下，該車的太陽能電池所能提供的功率僅為500W。若整車以復合材料為主要材料，滿載重量約300kg。則正常車速（10km/h）、最高車速（15km/h）以及最大爬坡度工況行駛，其所需的功率分別為86W、141W和393W。若整個系統的輸出效率為70%，見圖1。

1.3 常規光伏系統的組成

在低速狀態下的太陽能汽車，其輸出功率和適應能力尚且不盡如人意，在爬坡時，不足的功率部分當然需要依靠人力或者蓄電池完成。常規光伏系統見圖2。車的輔助動力來源。

2 太陽能車續航能力的局限及汽車儲能器的性能比較

太陽能電池所運用的光伏技術是瞬間產生電流，如果失去陽光，或者陽光條件不好的陰天，或是進入隧道等，會造成汽車動力來源失效，所以必須配有儲能系統。新能源汽車的常用儲能原件有蓄電池、燃料電池、飛輪電池和超級電涌，又是也將它們混合起來使用。其中，蓄電池包括鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鈉硫蓄電池、鈉氯化鎳蓄電池和鋰電池；燃料電池包括堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池 （PAFC）、氫離子固體聚合物電解質燃料電池（SPEFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）。

圖2 常規光伏系統組成

圖3 2010年上海工博會上太陽能車

正常情況下，即民用普通車輛的情況下，太陽能或許僅僅只能被用作概念的一部分或者混合動力汽

表1 各種儲能器件性能比較

衡量儲能器件的常用指標有比能量、能量密度、比功率、功率密度、循環壽命、快速充電性能、充放電時間以及價格。各種汽車儲能器的性能比較，如表1所示。

由于傳統蓄電池的質量較大，比能量較小，循環壽命不盡如人意，所以在新能源汽車，特別是太陽能電動車的引用上一般不予以考慮。以輕量化，比能量大，循環壽命長為出發點的新能源汽車一般可以選用：鎳氫電池 （64%）、鋰離子電池（15%）、燃料電池、飛輪電池等。而在不考慮輕量化的大型民用新能源車輛上一般使用超級電容。

在2010年上海工業博覽會上，上海汽車集團，推出了一款概念車（見圖3），該車外形小巧可人，其車頂和車前蓋覆有薄膜太陽能電池，約1.5m2，其轉換效率低于太陽能電池板。但經現場工作人員介紹，此車型僅為概念車型，該車主要的動力來源是上海汽車集團新研發的鋰電池，放棄了原先主推在大型公交車上的超級電容。此舉大大降低了整車重量，但太陽能電池板只是輔助動力來源。

3 新型混合能源汽車的思考

鋰離子電池的比能量一般可以達到100Wh/kg，比功率則可以高達1500W/kg，這一點是鉛酸電池和鎳氫電池無法比擬的。鋰離子單元電池的平均電壓為3.6V，相當于三個鎳鎘電池串聯起來的電壓值，因此可以減少蓄電池組的數目，從而降低因單元蓄電池電壓差造成的電池故障發生率，可以延長電池組的壽命。且鋰離子電池無記憶效應，充點前可以不需要放電。大大提高使用方便性。同時鋰離子電池的自放電率低，不含重金屬等多項優點，但鋰離子電池在過充或電流過大的情況下極易發生短路或保障，其安全性是應用鋰電池于汽車中最重要的問題。尤其是在電動機啟動（汽車起步）的過程中，瞬間電流會加大，對鋰離子電池的安全性產生巨大的考驗。

圖4 鋰離子電池太陽能汽車結構示意圖

飛輪電池，又稱為電動機械電池，他的主要特性是儲能密度大，輸出功率大，充放電時間快，使用壽命長，比功率可達1000W/kg，成本介于蓄電池和燃料電池之間。尤其是他對環境不會造成任何污染，更體現了當代新能源汽車的發展方向。早在20世紀50年代，瑞士Derlikon Energy公司就制造了第一輛由飛輪系統獨立供能的旅行車。飛輪直徑2.4m，重1500kg，轉速達 3000r/min，正常載客 70人，一次充電越能行進500m。如今，新型飛輪每充一次電可以行使560km；加速性能優越，時速從0-100km/h僅需6秒。飛輪使用壽命25年。一次充電僅需15分鐘。日本東北大學正在研制一種由飛輪電池，太陽能電池，鋰離子電池和內燃機組成的低排放的環境友好型混合動力車。其研究結果表明，飛輪電池能夠提高鋰離子電池的使用壽命。

圖5 太陽能飛輪電池汽車簡單結構設想示意圖

總之，各種現階段所有的儲能原件均不能有效的安全的可靠的單獨運用在新能源汽車上，尤其是太陽能動力汽車。所以，現在要制造純太陽能民用汽車還為時過早。但同時由多種儲能原件組合而成作為動力來源，以太陽能為主，或太陽能作為輔助動力來源的民用小型汽車的制造確實離我們不遠了。

［1］伊建華，等，主編.半導體硅材料基礎：太陽能光伏產業——硅材料系列教材[M].化學工業出版社，2009,7.